水質參數對交叉縮放橢圓管污垢的影響

徐志明，李興燦，王園園，劉坐東，杜祥云，張仲彬

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012）

研究開發

水質參數對交叉縮放橢圓管污垢的影響

徐志明，李興燦，王園園，劉坐東，杜祥云，張仲彬

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012）

采用對比的實驗方法對交叉縮放橢圓管與光管的污垢熱阻進行了分析，并重點研究了冷卻水（松花江水）水質參數對污垢產生的影響。實驗結果表明：在低流速時，交叉縮放橢圓管的污垢熱阻漸近值比光管低，且沒有明顯的誘導期；實驗中冷卻水水質參數的變化對污垢影響明顯。并深度分析了水質參數隨時間的變化及水質參數變化對強化換熱表面污垢特性的影響，為換熱器提高換熱效率提供了參考。

交叉縮放橢圓管；污垢熱阻；水質參數

冷卻水用水量占工業用水量的90%左右[1]，在冷卻水系統中，降低污垢熱阻可以提高換熱效果，從而減少冷卻水用量，對節水的意義也是顯見的。隨著國家對節能、環保要求的提高，污垢作為在換熱器中存在的普遍問題，亟待需要解決。早在20世紀30年代，Sieder[2]提出了污垢系數的概念。它通常以混合物的形態存在[3]。隨著對污垢的深入了解，人們認識到影響污垢生成的因素有很多，并且因污垢而造成經濟損失特別巨大[4]。

交叉縮放橢圓管是根據場協同理論開發的一種新型強化傳熱管，它主要是利用管內截面交叉變化所引起的強烈的二次流和縱向渦流改變速度場與溫度場之間的協同關系來實現換熱的強化[5]。 Crittenden等[6]認為化學反應污垢的形成機理和重要的工藝過程參數影響的認識還遠未完成，需要進一步研究有效應對技術。Knudsen等[7]發現橫向外肋片管碳酸鈣污垢熱阻小于光管。Frost和Rippe[8]發明了間歇性加氯以殺滅微生物的技術。王子云等[9]通過對換熱器內原生長江水的實驗，發現冷卻水污垢熱阻隨時間呈漸進性增長。以前對冷卻水的研究大多是集中在具體某一參數與污垢熱阻的關系，本文作者把pH值、堿度、鈣離子、氯離子、細菌總數、電導率、鐵離子、溶解氧等多個水質參數和污垢熱阻緊密結合在一起，找到它們之間的相互關系，并分析出水質參數變化對污垢熱阻的影響，為實際工業應用提供理論參考。

1 實驗系統

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，循環工質從高位水箱流向低位水箱，途中在試驗管段與恒溫水浴進行換熱，經過空冷換熱器后把工質冷卻后再由水泵從低位水箱打到高位水箱，依次循環。管子的出口溫度和入口溫度分別由Pt100熱電阻來測量，每根管的壁溫分別由3個T形熱電偶來測量，水浴溫度是用兩個Pt100熱電阻測量，質量流量是通過人工稱重法測量，所有測量信號都經由傳輸電纜通過數據采集卡送入計算機進行儲存和處理。

圖1 實驗系統圖

1.2 實驗管的材料及幾何尺寸

實驗中交叉縮放橢圓管的結構和形狀如圖2和圖3所示，其尺寸參數為：A=28.5 mm，B=20.8 mm，C=10 mm，P=40 mm，材質是紫銅，基管尺寸為φ25 mm×1.5 mm。從圖3中可以看出，交叉縮放橢圓管的管截面為橢圓形，且交錯分布。光管基管尺寸同為φ25 mm×1.5 mm，材料是紫銅。

1.3 實驗原理

采用污垢熱阻法[3]原理計算污垢熱阻，見式（1）、式（2）。

式中，K0、K為結垢前后的傳熱系數，W/(m2·K)。

圖2 結構尺寸

圖3 交叉縮放橢圓管圖

式中，A為換熱器換熱面積，m2；Δtm為對數平均溫差，℃；qml為溶液質量流量，kg/s；cp為定壓比熱容，kJ/(kg·K)；t2'、t2''為溶液進、出口溫度，℃。通過測量溶液和熱水的流量及進出口溫度便可計算出污垢熱阻Rf的值。

水質參數的測定方法符合GB/T 6903—2005標準，其中，pH值、電導率、溶解氧采用5S水質分析儀測定；堿度采用酸滴定法測定；鈣離子采用絡合滴定法測定；氯離子采用摩爾法測定；細菌總數采用平板菌落計數技術測定；鐵離子采用磺基水楊酸分光光度法測定。

2 實驗結果與分析

2.1 交叉縮放橢圓管與光管的污垢特性比較

交叉縮放橢圓管和光管的污垢特性對比實驗是在管內流動工質相同、流速相同、進口溫度相同、水浴溫度相同的條件下進行的。管內流動的工質是天然的松花江水，工質在管內的流速為0.2 m/s，在低流速下也易于研究水質參數的變化，管外的恒溫水浴溫度和管內的進口溫度分別設定為50 ℃和30 ℃。

實驗所得的污垢熱阻值與時間的曲線如圖4所示。從圖中可以看到，交叉縮放橢圓管的結垢速度比較慢，在運行180 h左右的時候才逐漸達到穩定，而光管的結垢速度較快，在70 h左右的時候就已經穩定，并且污垢熱阻漸近值高于交叉縮放橢圓管，可以看出在運行一定時間后，交叉縮放橢圓管的換熱要明顯好于光管。從結構上看，交叉縮放橢圓管的管橫截面為橢圓形，在壓力的作用下會發生彈性變形，使管內污垢容易脫落。另外，由于其橢圓管道交錯布置，管內受到二次流與縱向渦流的作用，因而在運行過程中污垢不易沉積到管壁，進而達到強化換熱的目的。

從管內換熱面結構上分析，交叉縮放橢圓管的壁面剪切力呈現周期性變化，因為污垢微粒的剝蝕率隨剪切力的增大而增加[10]，也使得微粒很難附著在壁面上形成污垢，從而其結構優勢也會反作用于水質參數的變化。

2.2 pH值、堿度對污垢熱阻的影響

pH值和堿度是控制污垢熱阻的兩個重要指標，它們既是獨立的，也是相關的。圖5是冷卻水pH值隨時間的變化曲線，交叉縮放橢圓管和光管的pH值都有波動上升的趨勢，光管的pH值上升趨勢較之更大。在實驗管段中冷卻水流經管式換熱器時，重碳酸鹽受熱分解而產生沉淀，溶解在冷卻水中的CO2也會逸出，pH值升高，從而導致碳酸鹽溶解度降低，污垢生成速度加快。此外，隨著pH值的增大，污垢成核速率和生長速率相應增大，污垢增長速率和污垢熱阻也隨之相應增大[11-12]。實驗說明了交叉縮放橢圓管內冷卻水pH值的趨勢走向較好，有利于降低溶液飽和度，從而降低污垢的生成速度。

圖5 pH值隨時間的變化

圖6是堿度隨時間的變化曲線，圖中顯示光管的堿度要高于交叉縮放橢圓管，開始階段兩管堿度的增加速度較快，實驗進行80 h左右，堿度的變化趨近穩定。堿度對污垢的形成有特別重要的影響，隨著堿度的增大，冷卻水中HCO3－和HCO32－的濃度變大，易于與水中的Ca2+、Mg2+形成污垢，使換熱器表面的析晶污垢和顆粒污垢增多，降低換熱效率。實驗分析出交叉縮放橢圓管對污垢生成的抑制性較好，控制堿度的變化有利于降低污垢生成量。

圖6 堿度隨時間的變化

2.3 鈣離子、氯離子對污垢熱阻的影響

在天然水中最常見的金屬離子是Ca2+，而Cl－是水中最常見的陰離子，又是引起水質腐蝕和結垢的催化劑[13]。圖7是鈣離子隨時間的變化曲線，從圖中可知，交叉縮放橢圓管和光管的Ca2+濃度都隨著時間的增加而降低，光管開始時Ca2+濃度降低較快，交叉縮放橢圓管Ca2+濃度平緩下降。由于交叉縮放橢圓管的橢圓管道交錯分布，壁面剪切力呈波紋狀變化，使沉淀的污垢容易被剝離掉，重新變成離子形式進入冷卻水，所以冷卻水內Ca2+濃度才相對較高，降低進入循環系統冷卻水的Ca2+濃度是降低污垢熱阻的有效措施。

圖 7 鈣離子隨時間的變化

Cl－會使銅金屬表面的Cu2O保護膜的保護性能降低，尤其是Cl－半徑小，穿透性強，易穿過膜層，置換氧原子形成氯化物，見式（3）。圖8是氯離子含量隨時間的變化曲線，兩管冷卻水的氯離子濃度均呈交叉下降，說明兩管的Cu2O保護膜都受到一定程度的破壞，光管冷卻水溶液中Cl－

濃度下降更大一些，因此催生了更多的腐蝕垢，會影響換熱面的正常換熱。可知降低進入循環系統冷卻水的Cl－濃度也是降低污垢熱阻的有效措施，在延長換熱器使用壽命的同時也提高了換熱效率。

圖8 氯離子含量隨時間的變化

2.4 細菌總數、電導率對污垢熱阻的影響

天然水中總夾雜有許多泥砂、腐殖質以及各種微生物和懸浮物等，細菌等微生物的增殖是生成污垢的一個重要因素，對生物垢的形成有不可替代的影響。電導率也是測量水中離子濃度的簡便方法，當電導率高時說明水中的鹽分高，黏附在管壁的沉淀相對較少，且細菌等微生物的增加也會使電導率增大。

圖9是細菌總數隨時間的變化曲線，從圖中可知，交叉縮放橢圓管冷卻水中的微生物數量要多于光管，這也和溶解氧的濃度有重大聯系（圖12）。天然水中鹽類含量較多，在溶解氧充足、適宜的pH值和溫度下，細菌、真菌等微生物能夠加速生長繁殖，如Fe2+是水中鐵細菌的營養源，Fe2+含量過多會引起鐵細菌的滋生。圖10是電導率隨時間的變化曲線，如圖所示，交叉縮放橢圓管的電導率要明顯高于光管，說明其管內流動工質的含鹽量要更高，而沉淀成污垢的鹽分相對較少，這又間接影響了pH值和堿度的變化。電導率升高，污垢沉積量就變少，污垢熱阻就會變小，在細菌總數增加的同時又加速電導率的升高，促使交叉縮放橢圓管達到強化換熱的效果，可見電導率的增加對于降低強化管的污垢熱阻也有重要作用。

圖9 細菌總數隨時間的變化

圖10 電導率隨時間的變化

2.5 鐵離子、溶解氧對污垢熱阻的影響

純天然水中都含有一定量的可溶性的二價鐵Fe2+，當被置于容器或密封不嚴時，即可使二價鐵變為的不溶的三價鐵Fe3+。冷卻水的pH值影響著換熱器表面的腐蝕速度，冷卻水中溶解氧的存在對換熱器的腐蝕也有很大影響。圖11是冷卻水中鐵離子濃度隨時間的變化曲線，隨著時間的增加，兩管冷卻水的鐵離子濃度慢慢降低，可以預見到兩個管式換熱器壁面已經產生鐵銹。如果溶解氧比較充足，則Fe(OH)2會進一步氧化，生成黃色的鐵銹Fe(OOH)；如果水中溶解氧不充足，則Fe(OH)2會進一步氧化為綠色的水合物四氧化三鐵或黑色的無水四氧化三鐵[14]。當這些鐵的氧化物都逐漸沉積在換熱面上時，會因腐蝕污垢的積聚使污垢熱阻不斷增加，可見降低天然水中的鐵離子濃度對降低污垢熱阻有重大意義。

圖11 鐵離子濃度隨時間的變化

圖12是溶解氧隨時間的變化曲線。隨著實驗的進行，溶解氧一直在降低，并最終因為微生物的大量死亡和鐵離子濃度的降低而趨于穩定。實驗中交叉縮放橢圓管的溶解氧濃度降低速度比光管低，說明交叉縮放橢圓管在溶解氧降低時，管內生成的鐵銹的腐蝕垢的積聚要小于光管；同時因溶解氧的降低，微生物大量死亡會產生生物垢，交叉縮放橢圓管沉積到管壁的生物垢的量也要小于光管，可知溶解氧的穩定對于降低污垢熱阻至關重要。鐵離子與溶解氧對換熱器的污垢熱阻有重要影響，且彼此之間互相影響，找到合理的解決方案，對提高換熱器的換熱效率有重要意義。

圖12 溶解氧隨時間的變化

3 結 論

（1）在流速為0.2 m/s時，交叉縮放橢圓管的結垢速度比光管要慢，且污垢熱阻漸近值比光管要低，換熱要明顯好于光管，實驗中兩個強化管在低流速下都沒有明顯的誘導期。

（2）交叉縮放橢圓管比光管的pH值波動上升的趨勢小，其堿度的上升速度也要小于光管；冷卻水中鈣離子濃度都逐漸下降，光管的下降速度較快，氯離子濃度都有波動下降趨勢；交叉縮放橢圓管的細菌總數和電導率都要高于光管；交叉縮放橢圓管冷卻水中鐵離子和溶解氧的變化趨勢也較好，較光管能更好抑制污垢的生成。

（3）實驗中交叉縮放橢圓管和光管的冷卻水水質參數的變化對污垢影響明顯且彼此互相關聯，并深度分析了水質參數隨時間的變化及水質參數變化對強化換熱表面污垢特性的影響（表1）。

表1 水質參數影響因素表

[1] 陳紹炎．水化學[M]．北京：水利電力出版社，1995.

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[4] 徐志明，楊善讓，郭淑青，等. 電站鍋爐污垢費用估算[J]. 中國電機工程學報，2004，24（2）：196-199.

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[14] 楊世銘，陶文銓．傳熱學[M]．第4版．北京：高等教育出版社，2006：14.

Study of water quality parameter effect on the fouling of an alternating elliptical axis tube

XU Zhiming，LI Xingcan，WANG Yuanyuan，LIU Zuodong，DU Xiangyun，ZHANG Zhongbin
（Energy and Power Engineering Institute，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

In this paper，through contrastive experimental method，the fouling resistances of an alternating elliptical axis tube and a copper tube were analyzed and the influence of Songhua River water quality parameters was mainly investigated. The results show that the fouling resistance of cooling water is lower in the former tube than the latter one and it has no obvious induction period. The change of cooling water quality parameters has obvious effect on the fouling，The water quality parameters changed with the time and the relationship between heat transfer enhancement and water quality parameter were thoroughly analyed，which provides a reference for improving the heat transfer efficiency of heat transfer equipments.

alternating elliptical axis tube；fouling resistance；water quality parameter

TK 124

A

1000-6613（2012）06 -1362-06

2011-12-09；修改稿日期：2012-01-14。

國家自然科學基金項目（51076025）。

及聯系人：徐志明（1959—），男，博士，教授，博士生導師，主要從事節能理論與技術、換熱設備的污垢與對策和強化換熱的研究。E-mail xuzm@mail.nedu.edu.cn。